KİMYA II DERS NOTLARI

Transkript

1 KİMYA II DERS NOTLARI Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Genel anlamda elektrokimya elektrik enerjisi üreten veya harcayan redoks reaksiyonlarını inceler. Elektrokimya pratikte büyük öneme sahip bir konudur. Piller, akümülatörler kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklerdir ve günlük hayatımızda çok çeşitli amaçlar için elektrik enerjisi kaynağı olarak kullanılmaktadırlar. Bazı metallerin saf eldesi veya yüzeylerinin başka bir metalle kaplanması da elektrokimyasal yöntemlerle yapılır. Bu işlemlerde elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür ve bu işlem elektroliz olarak bilinir. Doğada çok sık karşılaşılan ve gerçekleşmesi istenilmeyen bir olay olan korozyon da bir elektrokimyasal süreçtir. Galvani! Durdur şu pillerle oynamayı ve kurbağa bacaklarını ye. 1

2 Gerek redoks olmayan reaksiyonlar gerek redoks reaksiyonları kendi içlerinde çeşitli türlerde reaksiyonlar içerirler. Redoks olmayan reaksiyonlara bir örnek olarak Buna karşılık reaksiyonu bir redoks reaksiyonudur. Anot Zn (s) Zn +2 (aq) + 2 e - Katot Cu +2 (aq) + 2 e - Cu (s) Elektrokimyasal Piller Kendiliğinden yürüyen (istemli) bir redoks reaksiyonunda (yani elektron alışverişi olan istemli bir reaksiyonda), indirgen tarafından salınan elektronlar yükselt-gen olarak davranan maddeye bir tel (veya iletken) üzerinden iletilirse; ortaya reaksiyon enerjisi olarak elektrik enerjisi çıkar. Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklere "elektrokimyasal hücre veya pil" denir. Yani reaksiyon enerjisinin bir kısmı elektrik enerjisine dönüşür. Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklere "elektrokimyasal hücre" veya "pil" denir. 2

3 Elektrokimyasal Hücrenin Yazımı Yarı hücrelerde bir elektrot ve elektrotun daldırıldığı bir elektrolit bulunur. Şekildeki yarı hücrelerde bulunan Zn ve Cu metalleri "elektrot", ZnSO 4 ve CuSO 4 çözeltileri ise "elektrolittir". Bir elektrokimyasal hücredeki elektrotların neler olduğu, indirgenmenin ve yükseltgenmenin hangi şekilde gerçekleştiğini anlayabilmek için standart bir elektrokimyasal hücre yazım şekli (terimler dizgesi) kabul edilmiştir. Bu yazım şekli aşağıda verildiği gibi anotla başlar katotla biter. metalik magnezyumun yükseltgendiği ve H + iyonunun H 2 gazına indirgendiği elektrokimyasal reaksiyonu 3

4 Aşağıdaki elektrokimyasal hücreye ilişkin, verilen ifadelerden hangisi veya hangileri doğrudur? Zn (k) Zn 2+ (sulu) Ni2+ (sulu) Ni (k) A. B. C. Ni (k), katottur. Zn (k), indirgendir. Zn 2+, indirgendir A ve B Doğrudur Elektromotor Kuvveti Pil Gerilimi Bir elektrokimyasal hücreyi oluşturan iki yarı hücrenin gerilim farkı "elektromotor kuvveti (emk)" veya "elektrokimyasal hücre gerilimi" veya "pil gerilimi" olarak bilinir ve değeri, reaksiyonun bileşenlerine, sıcaklığa ve derişime bağlıdır. Elektro-motor kuvvetinin birimi volt olup, değeri elektrolit hacmine ve elektrotların boyutlarına bağlı olarak değişmez. Standart Elektrot Gerilimleri Elektrokimyasal reaksiyonların emk'leri, elektrokimyasal hücre (pil) oluşturularak ölçülebildiğinden yarı reaksiyonların gerilimleri (elektrot gerilimleri) yalnız başlarına belirlenemez. Bu nedenle elektrot gerilimlerini belirleyebilmek için bir standart referans elektrot tanımlanmış ve elektrot gerilimleri bu referans elektrota bağlı olarak belirlenmiştir. Standart referans elektrotu olarak standart hidrojen elektrotu (SHE) seçilmiş ve bu elektrotun 298,15 K sıcaklığındaki standart elektrot gerilimi (E ) 0,0000 V olarak kabul edilmiştir. Diğer bileşik, element ve iyonlar için standart elektrot gerilimleri, standart hallerindeki SHE 'na karşı elektrot gerilimleri ölçülerek belirlenmiştir. Standart hal olarak 298,15 K sıcaklık, sulu çözeltiler için 1M'lık derişim, gazlar için 1 atmosferlik basınç ve saf katı ve saf sıvılar için bu maddelerin 1 atmosferdeki en kararlı halleri seçilmiştir. 4

5 Standart elektrot gerilimlerine bakarak hangisi indirgenir? Hangisi yükseltgenir? Cu 2+ 'nin Cu (k) 'ya indirgenmesinin Zn 2+ 'nin Zn (k) 'ya indirgenmesine göre daha kolay olduğu görülür. O halde bu iki yarı-reaksiyonun yer aldığı bir elektrokimyasal hücrede standart koşullarda Cu 2+, Cu (k) 'ya indirgenir, Zn (k) ise Zn 2+ 'ye yükseltgenir. Standart elektrot gerilimlerine bakarak hangisi indirgenir? Hangisi yükseltgenir? Tablodan bulundukları konumlardan anlaşılacağı üzere Cr 2+, Pb (k) 'ya göre daha iyi indirgen, Pb 2+, Cr 3+ 'e göre daha iyi yükseltgendir. Sonuçta Cr 2+, Pb 2+ iyonunu indirger. 5

6 olduğuna göre bu iki yarı reaksiyonun yürüdüğü bir elektrokimyasal hücrede yükseltgen ve indirgen nedir? Katot ve anot reaksiyonları nelerdir? Standart elektrot gerilimleri karşılaştırıldığında Ag + iyonunun Cu 2+ iyonuna göre daha kolay indirgendiği bulunur. O halde bu reaksiyonda Ag + iyonu yükseltgen, Cu (k) ise indirgendir. Standart elektrot gerilimlerine bakarak, yukarıdakileri indirgenme kabiliyetine göre büyükten küçüğe sıralayınız. En kuvvetli indirgen hangisidir? Br - > Ag + > I - > H 2 > Al En kuvvetli indirgen, indirgenme potansiyeli en düşük olan Al dur. Standart Pil Gerilimi Redoks reaksiyonlarının standart pil gerilimi (elektromotor kuvvetleri, emk), elektrokimyasal hücreyi oluşturan yarı-reaksiyonların elektrot gerilimleri kullanılarak hesaplanabilir. Kendiliğinden gerçekleşen (istemli) bir redoks reaksiyonun standart pil gerilimi daima artıdır (E > 0). Cr 2+ 'nin Pb 2+ 'yi indirgediği reaksiyonun standart pil gerilimini bulalım. Bir reaksiyonun standart pil geriliminin eksi (E < 0) olması ise reaksiyonun bu koşullarda kendiliğinden gerçekleşmeyip (istemsiz), tersi yönde gerçekleşir olduğunu gösterir. 6

7 Pil Geriliminin Derişime Bağlılığı Nernst Eşitliği Yukarıdaki reaksiyonlara göre oluşabilecek pil reaksiyonunu yazıp, pil gerilimini hesaplayınız. Bu reaksiyonda Ag + indirgenir, Cu yükseltgenir. 7

8 Elektrokimyasal Hücrelerin Uygulaması Piller Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren aletler Birincil Hücreler Geri dönüşümsüz elektrokimyasal hücre Yeniden şarj edilemeyen elektrokimyasal hücre İkincil Hücreler Geri dönüşümlü elektrokimyasal hücre Yeniden şarj edilebilir elektrokimyasal hücre Piller Birincil Hücreler kuru" pil & alkali pil 1.5 v/pil civa pili 1.34 v/pil yakıt pili 1.23v/pil İkincil Hücreler kurşun-asit (otomobil aküsü) 2 v/akü NiCad 1.25 v/pil Pozitif kutup Negatif kutup Kuru Pil Hava boşluğu Asvalt conta Gözenekli kağıt MnO 2, ZnCI 2, NH 4 CI ve C pasta Grafit çubuk katot Çinko kutu anot Metal ceket Yalıtkan 8

9 Kuru Pil Negatif kutup Pozitif kutup Flaş Işık Pilleri Yalıtkan Negatif kutba metal kabuk 1,5 V hücreler Metal ceket Kuru" Pil Zn (s) + 2 MnO 2(s) + 2 NH 4 + Zn +2 (aq) + 2 MnO(OH) (s) + 2 NH 3 Alkali Pil Zn (s) + 2 MnO 2(s) ZnO (s) + Mn 2 O 3 (s) Alt kapak Civa Pilleri Çelik dış kapak Çelik dış kasa Kalay kaplı iç kapak Gaz çıkış yeri Ayırıcı Yalıtkan conta Zn anot Absorban maddede ZnO ile doyurulmuş KOH (elektrolit) Grafitle karıştırılmış HgO (katot) En içteki çelik kasa Kurşun-Asit (Otomobil Aküleri) Akü kasasına doldurulmuş H 2 SO 4 elektrolit 2 v/hücre Anot (negatif): Süngersi kurşunla dolu Kurşun ızgara Katot (pozitif) : PbO 2 ile dolu kurşun ızgara Pb (s) + PbO 2(s) + 2 H 2 SO 4 2 PbSO 4(s) + 2 H 2 O 9

10 Nikel-Kadmiyum (Ni-Cad) Hidrojen-Oksijen Yakıt Pili Anot Katot Cd (s) + 2 Ni(OH) 3(s) Cd(OH) 2(s) + 2 Ni(OH) 2(s) NiCad 1.25 v/pil Gözenekli nikel elektrotlar Sulu KOH Elektroliz Alüminyum Üretimi (Hall Prosesi) Karbon kaplı tank Karbon elektrot Tank duvarı yalıtkan Ergimiş kriyolitte (Na 3 AlF 6 ) Al 2 O 3 CO 2 Ergimiş Al 10

11 Elektrolitik Kaplama Gümüş şerit, Ag AgCN çözeltisi Güç kaynağı Katot Anot 11